中國科大在單分子拉曼成像領域取得重大進展 提出掃描拉曼埃分辨...

最近，中國科學技術大學侯建國院士領銜的單分子科學團隊的董振超研究組與羅毅研究組，在單分子拉曼成像領域取得重大進展，將空間解析度推向新極限，實現了埃級單化學鍵分辨的分子內各種振動模式的實空間成像，並提出了一種全新的分子化學結構重構技術掃描拉曼埃分辨顯微術（Scanning Raman Picoscopy，SRP）。該成果於2019年11月8日在《國家科學評論》上在線發表，並於近期正式出版。  

精確確定分子的化學結構對於任何一個分子相關領域都具有至關重要的意義，是深刻理解分子的化學、物理、生物等性質和功能的關鍵。掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡具有在實空間對單分子骨架進行成像的傑出能力，但這些技術通常缺乏精確確定單分子結構所必須的化學信息。拉曼散射光譜中包含了豐富的分子振動結構信息，不同化學基團的拉曼光譜的譜形特徵各不相同，因此拉曼光譜可以作為分子化學基團的「指紋」識別工具，但常規拉曼成像技術達不到掃描針尖技術所具有的的超高空間解析度。因此，將二者結合發展起來的針尖增強拉曼光譜技術（TERS），可以克服各自技術的缺陷，融合兩種技術的優勢，為實現單分子化學結構的確定提供了可能。

2013年，由侯建國院士領銜的單分子科學團隊首次展示了亞納米分辨的單分子拉曼成像技術 [Nature 498, 82 (2013)]，將具有化學識別能力的空間解析度提高到了一個納米以下（~5 Å），此項突破性成果已被國際同行引用八百多次。在此基礎上，研究者們一方面探索單分子拉曼成像技術空間解析度的極限，另一方面思考如何充分發揮這項技術的獨特優勢。最近，該團隊在《國家科學評論》(National Science Review 6, 1169−1175 (2019)) 發表研究論文「Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy」， 將空間解析度推向了一個新的極限，並為最新技術提出了一種重要的新應用。他們通過改進低溫（液氦）超高真空針尖增強拉曼光譜系統和精細調控針尖尖端高度局域的等離激元場，將空間解析度提高到了1.5 Å的埃級單個化學鍵識別水平，在實空間獲得了分子各種本徵振動模式完整的空間成像圖案，並發現和觀察到了分子對稱和反對稱振動模式中顯著不同的幹涉效應。更為重要的是，他們基於埃級分辨的分子振動模式成像圖以及由此揭示的新物理效應，結合化學基團的拉曼指紋資料庫，提出了一種可視化構建分子結構的新方法：掃描拉曼埃分辨顯微術（Scanning Raman Picoscopy，SRP）」。SRP方法充分彰顯了基於拉曼信號的針尖掃描技術「鋒芒畢顯」、在實空間精確確定分子化學結構的能力。研究者以單個鎂卟啉分子作為模型體系，採用「搭積木」(Lego-like)方式把各個化學基團拼接起來，實現對整個分子化學結構的構建。埃級分辨的掃描拉曼顯微術所具備的這種解析未知分子化學結構的能力，無疑將引起化學、物理、材料和生物等領域科研人員的廣泛興趣，催生這一領域的大量相關研究。可以預見，通過與人工智慧、機器學習相結合，SRP有望發展成為一種成熟和通用的技術，將為在單個化學鍵尺度上確定單分子的化學結構、原位研究表面物理化學過程和表面催化反應等提供新的手段，也為生物分子的高分辨成像和結構確定提供了新的思路。

張堯教授、楊犇博士生和Atif Ghafoor博士為這篇文章的共同第一作者。該系列研究工作得到了基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等單位的支持。

圖片說明：掃描拉曼埃分辨顯微術（SRP）的藝術化效果圖。高度局域化的等離激元電磁場會顯著增強針尖下方單個分子內部局域化學基團的拉曼散射信號。將不同化學基團簡正振動模式對應的拉曼成像圖樣進行合併，就可以採用類似「堆積木」的方式將各個化學基團拼接起來，構建出完整的分子化學結構。

論文連結：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz180

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)